现代模具制造中的电火花加工技术

来源：现代模具作者：曹凤国杨大勇伏金娟发布时间：2007-11-06

关键字：模具制造；电火花成形；电火花线切割；脉冲电源；镜面加工

摘要：本文对近年来电火花线切割加工、电火花成形加工涌现出的典型新技术、新工艺和新设备进行了介绍，并用典型的加工实例和图片说明了其应用范围和达到的加工效果，进一步验证了电火花加工技术是精密现代模具和零件加工的有效方法之一。

模具是制造业的重要基础装备，是工业化国家实现产品批量生产和新产品研发所不可缺少的工具。用模具生产制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度是其他任何制造方法所不及的。因此，模具制造业已成为与其他高新技术产业互为依托的产业，与其他行业的发展可以说是唇齿相依的，模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志。“十一五”期间模具发展的目标是：模具精度达到±0.001mm；模具生产周期比现在缩短30%；机床数控化率比现在提高一倍；大型、精密、复杂、长效等中、高档模具的比例将从现在的30%提高到40%。这一目标不仅推动了模具制造设备水平的提高，同样也为电火花加工技术在模具制造中的应用提供了新的舞台。

众所周知，电火花加工是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新技术。机械加工是通过机床部件的相对运动，用比工件材料硬的刀具去切除工件上多余的部分，来得到成品零件的。而电火花加工是利用两极间脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法。因此，电火花加工具有以柔克刚、精密微细、仿形逼真等其他加工方法所不及的突出特点，成为模具制造中重要的加工方法之一。

随着模具制造业向高精度化、材料的多样化、结构复杂化方向的发展，对制造技术及设备提出了更高的要求，因此，新的加工技术、新的加工工艺和高精度、高速度的特种加工设备的出现会对模具制造工艺产生重要的影响。下面对近年来发展的几种先进电火花加工技术在模具制造中的应用作一介绍，希望能对模具制造业有所启迪。

1低速走丝线切割机的细丝切割技术

1.1双丝自动切换的细丝切割技术

为了解决模具加工速度和最小加工缝隙与加工圆角的矛盾，瑞士阿奇公司研制了AGIECUT VERTEX系列低速双走丝线切割机，可广泛地应用于医疗器械(如内窥镜、导管等)、微小机械手、钟表机械等领域微细零件和模具的加工，其双丝自动切换系统如图1所示。该机床的加工轮廓精度Tkm≤±1mm、最佳表面粗糙度Ra≤0.05mm，电极丝直径范围为Ф0.02～Ф0.20mm。机床主机部分的设计与以往的机床完全不同，利用多项先进技术确保双丝自动切换技术的成功应用。这些技术有：X、Y运动轴分别独立安装在床身的正面和上面，使载荷均匀作用于独立床身上，各轴之间的运动精度互相不影响；各运动轴采用直线光栅尺与编码器双测量反馈伺服系统，达到0.1mm的位置检测控制精度。机床上的所有发热源都安装了温度传感器，并设置了循环气冷、水冷或隔热处理。机床X、Y、U、V四轴的平均定位精度允差Pa为0.8mm，平均重复定位精度允差Ps为0.4mm，平均反向间隙允差X、Y轴为0.4mm，U、V轴为0.5mm。机床走丝系统更具特色，因为要满足电极丝直径Ф0.02mm的精密切割，对走丝系统的要求就非常高，丝张力的微小波动都会造成断丝，为此机床上设计了丝准备单元，设置了两个电极丝探测器来检测丝的运行状况，精确控制丝的张力和吸振以保证隔绝外界干扰。电极丝的最小张力仅为0.05N；机床还采用类似于三坐标测量机的三点吸振支撑，整套走丝系统采用新耐磨材料等先进技术。图2a是采用具有双丝自动切换技术的低速走丝线切割机床加工的手表指针的凸模和凹模加工样品，其单边间隙仅有0.75mm。该指针模具材料为硬质合金，凹模型腔切割厚度3mm，精切割用电极丝直径Ф0.02mm，加工用时1小时57分，加工后的表面粗糙度Ra0.10mm，加工精度≤2mm，最小内圆角R0.017mm(见图2b)。

图1 双丝自动切换系统结构图

a) 手表指针凸、凹模加工样品 b) 手表指针最小内圆角R0.017mm

图2 双丝微细加工手表指针模具

1.2横向走丝的细丝切割技术

它是日本牧野公司研制的另一种结构形式的细丝切割技术，图3是UPJ-2型低速横向走丝精密线切割机的横向走丝系统结构图。由于采用横向走丝方式，使工件的安装变为悬垂的方式，解决了由于重力因素对加工精度的影响，使被切割掉的型芯部分留在工件内部，如果切下的型芯尺寸≤15mm，就可利用从加工液喷嘴喷出的加工液将其冲出加工区域，还可通过装有传感器的顶针来确认型芯的有无，从而实现微细零件从粗加工到精加工的无人化操作。

该机床全行程定位精度为±1mm、重复定位精度为±1mm，电极丝直径范围为Ф0.02～Ф0.20mm。图4 是使用该机床采用直径Ф0.02mm黄铜电极丝进行加工的微小齿轮放大图，该微小齿轮材料为SKD61钢，模数仅为0.03mm，齿数为60个，分度圆直径为Φ1.8mm，加工用时4小时。

图3 横向走丝系统结构图图4 横向走丝微细加工模数0.03mm的齿轮

2油浸式低速走丝线切割技术

在低速走丝线切割中，一般采用去离子水作为工作介质，但在表面质量要求较高的加工中采用油性介质(如煤油)作为工作介质会得到更好的效果。由于油性介质的绝缘性能较高，同样电压条件下较难击穿放电，放电间隙偏小，用油作为介质加工工件可带来很好的表面质量，不仅表面粗糙度低，可达Ra≤0.05mm；而且由于介质电导率极低，无电解腐蚀，被切割表面变质层几乎没有，反而因在油中加工时的渗碳作用使加工工件的表面硬度略有提高，特别是加工硬质合金材料时还可有效的解决钴的析出问题。图5是采用两种工作介质切割表面质量的对比。